Akkus PDF Drucken E-Mail

Die Akkufrage ist sicher noch immer die Achillesferse der ganzen Pedelec/Elektrofahrrad-Geschichte, auch wenn sich in den letzten Jahren hier enorm viel getan hat: Der Akku ist meist die teuerste Komponente, und er nützt sich noch dazu im ganzen System oft am schnellsten ab.

Kritiker stellen zurecht fest, dass jeder (auch teure) Akku vom Kaufzeitpunkt weg nur einen Weg kennt: hin zu weniger Kapazität. Allerdings kann man durch ein paar Massnahmen die Geschwindigkeit, mit der das passiert, wesentlich beeinflussen.

Dabei wirken 2 Alterungs-Effekte:

  • jeder Ladezyklus macht den Akku ein kleines Stück schwächer (daher der Begriff Zyklenfestigkeit). Wieviel Kapazität der Akku dabei verliert, hängt auch wesentlich mit der Frage der sogenannten Konditionierung zusammen - dh wie wird der Akku auf die Entladung/Ladung vorbereitet (mehr dazu weiter unten). 
  • aber auch durch die reine Standzeit (Lagerung ohne Nutzung) verliert der Akku etwas an Leistung. Die beste Zyklenfestigkeit hilft also nicht, wenn der Akku einfach durch Zeitablauf am Ende ist. Anders ausgedrückt: Je weniger man fährt, umso weniger ist es relevant, auf Zyklenfestigkeit zu schauen.

 

Welche Akkus gibt es, die sich grundsätzlich für Pedelecs (oder allgemeiner: E-Fahrräder) eignen?

  • Blei-Akkus sind billig aber schwer, wenig zyklenfest und haben einen erheblichen "Peukert-Effekt" (Kapazitätsverlust bei hohen Strömen), der ihre Nachteile noch verstärkt. Dennoch haben Blei-Akkus, insb als Einstiegsdroge, ihre Berechtigung im Einsatz in E-Fahrzeugen nicht ganz verloren, umso mehr als man bereits <100€ "mit dabei" ist. Im E-Mobilbereich werden meist sog. "sealed liqid acid" (SLA) Bleiakkus verwendet.
  • Akkus auf Nickel-Basis: NiCd und NiMh Zellen sind giftig, uU brennbar, beim Laden heikel, etc. Sie werden seit dem Siegeszug der Lithium-Akkus, in E-Fahrrädern nicht mehr verwendet.
  • Lithium-Cobalt (LiCo)-Zellen ("Modellbau-LIPOs") sind zwar leicht, aber wenig zyklenfest und vor allem leicht brennbar. Vorsichtige Menschen lagern solche Akkus in Munitionskisten. Sie werden bevorzugt von Modellbauern und anderen Experten eingesetzt.
  • Lithium-Mangan (LiNiMnCoO2) Zellen sind leicht, nicht brennbar, zyklenfest, hochstromfest, und je nach genauem Zelltyp mehr oder weniger kaltstartfähig (siehe dazu auch weiter unten). Wir bieten Standard-Akkus (in Ziegelform, Trinkflasche und Gepäckträger-Gehäuse) bis 17A an, und eine hochstromfeste Variante im Schrumpfschlauch und Rahmengehäuse bis 30A. Sowie die bekannten driftfreien "Konion" Zellen von Sony.
  • Lithium-Eisenphosphat (LiFePo4) Zellen sind ungiftig, hochstromfähig, zyklenfest, kaltstartfähig und nicht brennbar, aber erheblich schwerer und voluminöser als LiMn. Da die Industrie diesen Zelltyp in den letzten Jahren praktisch aufgegeben hat, bieten wir LiFePo bis auf weiteres auch nicht mehr an. Mit div hochstromfähigen LiMn-Spezialzellen, die keinen Balancer brauchen, steht allerdings ein vollwertiger Ersatz zur Verfügung: extrem hochstromfähig (bis 30A/Zelle), kaltstartfähig, "harte" Entladekurve, robust. Als den klassischen Sony-Konion bieten wir hier ins auf die 25R und 30Q Hochstrom-Zellen von Samsung an.

 

"Nennspannung" 36V oder 48V?

Verkürzt gesagt: 36V Akkus (10 Li-Zellbänke in Serie) sind für Geschwindigkeiten <30km/h geeignet.

48V Akkus (14 Li-Zellbänke in Serie, also 40% schneller als 10s) ergeben mit Normalwicklung >30km/h, diese Kombination ist also meist nicht pedelec-legal, vor allem wenn der Motor nicht über den Controller abgeregelt wird. 

Eine Ausnahme ist die Kombination aus langsamer Wicklung (Bergwicklung) mit 48V Akku, die auch oft nur Geschwindigkeiten unter 30km/h ergibt. Müsste je nach genauer Konfiguration berechnet werden, ob so eine Kombination als pedelec-legal durchgehen kann.

Ausser diesen beiden Spannungen, die sich im E-Fahrradbereich defakto durchgesetzt haben, können Sie bei uns Akku mit beliebigen anderen Spannugen konfektionieren lasssen - fragen Sie uns danach.

 

Konditionierung der Akkus (Vorbereitung auf Laden oder Fahren)

Für jeden Akku gibt es, abhängig von seiner Zellchemie, optimale Bedingungen (Konditionen) für Lagerung, Ladung und Entladung. Insbesondere sind hier wichtig

  • die Temperatur, also wie warm oder kalt sollte der Akku sein, insb. vor Ladung oder Entladung
  • der Ladezustand, also wie voll sollte der Akku sein, insb bei langer Lagerung (zb über den Winter)

die optimale Konditionierung ist sehr komplex, und vor allem in grossen Akku-Systemen fundamental wichtig: Teure Akkus, vor allem im Auto-Bereich, werden oft länger auf den Ladevorgang vorbereitet, als dieser selbst dauert (zb entladen, vorwärmen, kühlen..)

Bei Fahrrad-Akkus gilt dabei als Daumenregel: Das wichtigste Kriterium ist die Kaltstartfähigkeit eines Akkus, dh welche Temperatur muss der Akku zu Beginn des Lade- oder Entladevorganges haben (also: beim Wegfahren, oder beim Laden), damit er durch die Fahrt (Entladezyklus) oder Ladung (Ladezyklus) möglichst wenig von seiner Leistungsfähigkeit einbüsst.

Hier wiederum gilt, stark vereinfacht gesagt: LiFePo Akkus und Sony-Konion sind kaltstartfähig (also verlieren auch bei Fahrten unter 0° nur unwesentlich dauerhaft an Kapazität), andere LiMn Zellen sind nicht so kaltstartfähig, dh sollten vor Ladung oder Entladung nicht weniger als ca +8°C haben.

Gekühlt brauchen Fahrradakkus nicht zu werden - dh auch wenn der Akku im Sommer ca 40°C vor dem Start hat, ist das ia unkritisch. Bei Temps >55° muss das BMS aus Brandschutzgründen abschalten (EN15194), aber selbst solche Werte sind für die Zellen unschädlich.

LiMn sollten bei längerer Nichtbenutzung idealerweise einen mittleren Ladezustand aufweisen. (Mehr dazu siehe auch weiter unten).

Bei der Konditionierung, insb Vorwärmung bzw Kühlung, kann man wieder 2 Strategien unterscheiden:

  • Eigenkonditionierung (dh was kann der Akku selbst dazu beitragen, um in einen optimalen Betriebszustand zu kommen - zb Eigenerwärmung beim Fahren). Diese sollte immer nur als Notbehelf gesehen werden, da sie Nebenwirkungen hat - sie wirkt zb innerhalb der ersten paar Kaltstart-Minuten nicht!
  • Fremdkonditionierung (dh zb vorwärmen des Akkus vor dem Fahren durch Verbringen in einen geheizten Raum, wärmen durch eine extern gespeiste Heizdecke am Fahrrad etc). Wenn man die Möglichkeit hat, ist diese externe Vorwärmung der Eigenerwärmung immer vorzuziehen.

 

 

Standard-LiMn-Akku im Gehäuse (Ziegelform, Trinkflaschenform, Gepäckträgerform), 13.6Ah, mit BMSh

(Zellen Panasonic NCR18650B)

Hochstrom-LiMn-Akku im Schrumpfschlauch oder Rahmen-Gehäuse, mit BMS (bei einigen Zelltypen wahlweise auch ohne BMS)

(Zellen Panasonic, Samsung, Sanyo)

LiMn Hochstrom- Akku mit driftfreien Hochstrom-Zellen (Konion oder Samsung) wahlweise mit/ohne BMS

 

Nominal Spannung 36V
36V, 48V

 36V, 48V

Kapazität
 13.6Ah beliebig beliebig
Maximaler Entladestrom
17A
30A
 30A
Maximaler Ladestrom
2.35A
10A
 10A
Minimale Starttemperatur
8°C
8°C
 egal
Spannungsverlust bei Entladung
  20% (6km/h)  20% (6km/h)
 10% (6km/h)
Energiedichte (Wh/kg)
 200 200 (220 im Schrumpfschlauch)
 130
typisches Gewicht ca
2.5kg
2.2kg bei 36V/13.6Ah (ohne Gehäuse)0.05kg/Zelle

 

Sicherheitshinweise, insb. Brennbarkeit

Aus Sicherheitsgründen bieten wir nur nicht-brennbare Zellen an. Wobei "nicht brennbar" nur heisst, dass die Zellen kein brennbares Material enthalten. Der Kunststoff, der in jedem Akku enthalten ist, kann bei einem sog "internen Kurzschluss" natürlich in Brand gesetzt werden, und wie jeder Kunststoff (= Erdöl-Produkt), brennen.

Dieses Restrisiko ist zwar äusserst gering, aber genausowenig wie bei jedem Elektrogerät auszuschliessen (bekannt geworden sind in diesem Zusammenhang auch zb brennende Notebook-Akkus).

Akkus, die zb durch Sturz, oder auch ohne erkennbaren Grund mechanisch offensichtlich defekt sind, dürfen nicht mehr in Betrieb genommen, und insb nicht geladen werden. Die Gefahr ist gross, dass es beim mechanischen Defekt einer Zelle zu einem internen Kurzschluss mit starker Hitze-Entwicklung kommt. Wegen der Gefahr von giftigen Dämpfen bei einem eventuellen Brand sollte so ein Akku bis zur Klärung durch einen Experten überhaupt nicht mehr in einem Innenraum gelagert werden - ausser in einer Metallkiste mit geschlossenem Deckel.

 

Allgemeine Vorteile von LiMn-Akkus 

 

  • erheblich leichter als zb LiFePo, dzt: 2,3kg für ca 14Ah, das Leistungsgewicht kommt bereits in die Nähe der klassischen Modellbau-LIPOs, ohne deren Nachteile (insb Brennbarkeit) zu erben. 
  • es werden praktisch laufend verbesserte Zelltypen angeboten
  • auch die Automobil-Industrie arbeitet damit - daher grosse Stückzahlen verfügbar, viele Erfahrungen, günstige Preise 

 

 

 

Vorteile von Standard-LiMn-Akkus im Gehäuse (mit Panasonic Zellen) gegenüber Hochstrom-LiMn-Akkus im Detail:

  • Konion sind etwas schwerer, aber dafür noch robuster.
  • preisgünstiger als LiFePo
  • gute Gehäuselösungen unaufwändig verfügbar
  • gute addon-Lösungen verfügbar, zb genaue Ladestandsanzeige

 

Vorteile von Hochstrom-LiMn-Akkus im Schrumpfschlauch oder Rahmengehäuse (wahlweise mit Panasonic, Sanyo oder Samsung Zellen) gegenüber Standard-LiMn-Akkus:

  • höherer Ladestrom (bis 10A) und Entladestrom (bis 30A pro parallelgeschaltetem Akku)
  • (fast) jede Grösse, Bauform und Kapazität möglich
  • Schrumpfschlauch ist gewicht-sparender als Gehäuse-Lösungen
  • je nach genauem Zelltyp auf Wunsch auch ohne BMS (Balancer) verwendbar - sehr effizient
  • durch die genaue Auswahl des Zelltyps optimal auf den genauen Einsatzzweck abstimmbar


Für "normale Umbauten" (14A, evt 17A, keine besonders hohen Lasten, keine Sonderprojekte) sind beim Stand der Technik in vielen Fällen Standard-LiMn-Akkus im Gehäuse die beste Wahl.

Für Umbauten bis 600W (und mehr), also 22A oder 30A Controller, haben die Standard-Panasonic-LiMn nicht die nötige Stromfestigkeit - es müssten 2 Stk parallel geschaltet werden. Alternativen: ein Hochstrom-LiMn-Akku (zb zum Einbau in eine Rahmen- oder Packtasche).

 

Wichtige Ladehinweise für Lithium Akkus

Kein "Memory-Effekt": Lithium-Akkus haben keinen "Memory-Effekt" (wie dies etwa bei Nickel-Akkus der Fall ist), und können daher, vereinfacht gesagt, bedenkenlos in jedem Zustand geladen und entladen werden. (Ausnahme: LiMn nicht < 5° laden, siehe oben).

Schutz vor Tiefentladung: Alle Akkus unterliegen bei der Lagerung (also auch bei Nichtgebrauch) einer gewissen Selbstentladung. Die eigentliche Zellen-Selbstentladung ist normalerweise bei Lithium-Akkus sehr gering, allerdings "saugt" die eingebaute Elektronik den Akku meist erheblicher schneller leer als die eigentliche Selbstentladung einer nackten Zelle. Insbesonder gilt das für Akkus, die einen über das BMS angeschlossenen Ein/Ausschaltknopf haben, wie zb die Standard-LiMn-Akkus im Gehäuse. Hier gilt: der Akku (aber auch andere Akkus mit aktivem Schalter) sollte niemals im eingeschalteten Zustand gelagert werden! Meist wird der geringe Entladestrom vom BMS selbst nicht erkannt, die Unterspannungsabschaltung greift daher uU nicht. Ein tiefentladener Akku ist in manchen Fällen unrettbar verloren, und auch ein gewisses Brand-Risiko.

Daher:

  • Akkus niemals eingeschalten lagern
  • selbst ein ausgeschalteter Akku sollte zum Schutz vor Tiefentladung zumindest 2x pro Jahr zur Sicherheit geladen werden

Schutz vor Überladung? Beim Laden selbst können die Akkus beliebig lange am Ladegerät verbleiben, auch wenn dieses über die "leuchtende grüne LED" schon lange signalisiert, dass der Akku voll geladen ist. Zieht man allerdings in Betracht, dass das Laden immer in gewisser Weise sicherheitskritisch ist, sollten die Akkus nicht tagelang am Ladegerät hängen. Auch der Einbau einer (billigen) Zeitschaltuhr vor das Ladegerät kann sinnvoll sein, um ein sicheres Ausschalten zu gewährleisten.

Beim Standard-LiMn-Akku mit Datenmonitor wird auf der Anzeige bei einem Ladezustand unter ca 5% "Warning" angezeigt. Dies ist so zu verstehen (falls der Monitor korrekt anzeigt), dass der Akku nahezu leer ist und dringend (Schutz vor Tiefentladung, siehe oben) nachgeladen werden sollte.

 

Wohin mit dem Akku am Fahrrad?

Der Akku ist der teuerste Teil der ganzen Umrüstung und in vielerlei Hinsicht auch der empfindlichste. Für seinen Montageort bieten sich aus der Sicht eines Alltagsfahrers daher folgende Kriterien an:

  • Schutz vor mechanischen Beschädigungen durch Schläge etc
  • Wasser- und Kälteschutz
  • Diebstahlschutz

Panasonic Standard-Akkus sind dazu in 3 Bauformen lieferbar: Ziegel, Trinkflasche und Gepäckträger. Dabei kann die Ziegelform meist auch gut in einer Tasche untergebracht werden, die anderen beiden Bauformen werden praktisch immer am Rahmen befestigt. Trinkflaschen-Form kann manchmal auch unterhalb des Unterrohrs angebracht werden, wenn es im Rahmendreieck zu knapp ist.

Aus unserer Sicht ist der optimale Platz für einen Akku eine Packtasche, Lenkertasche oder Sattelrohrtasche: Neben einem guten Schlagschutz ist auch Wasser- und Diebstahlschutz meist sehr gut. Auch für Trinkflaschen- und Gepäckträger-Akkus gibt es mittlerweile gute Lösungen.

Wenn man den Akku am Rahmen im Freien montiert, sollte man evt auf folgendes achten:

  • nur Akkus bis ca 2.5kg am Rahmen befestigen (unsere Standard-LiMn Akkus haben 2.3kg)
  • nicht mit zu hohem Luftdruck fahren (<2 Bar), vor allem wenn man Strassen mit Schlaglöchern befährt
  • bei jedem Zweifel an der Dichtheit des Akku-Gehäuses, als Wasserschutz dem Akku zb eine Badehaube aufsetzen: Die Dichtungen aller dieser Akkus sind oft nicht 100%ig, und ist das Wasser mal drin, rinnt es unten nicht mehr raus, und kann so Zellen und Elektronik schädigen. Den Effekt merkt man oft erst Wochen nach dem Wassereintritt.
  • guter thermischer Schutz ist bei dieser Montageart schwierig.

Ein Nicht-beachten dieser Punkte kann ua zum einreissen der tw. in Kunststoff ausgeführten Halterungen führen - insb tritt dies oft bei der Ziegelform auf. Die Halterungen bekommen Sie als Ersatzteil bei uns auch einzeln (für alle 3 Standard-Bauformen).

Will man dieses Risiko vollständig ausschliessen, bietet sich zb eine Lenkertasche oä für den Akku an: Hier gibt es absperrbare (Klickfix-)Systeme mit verschieden grossen Taschen im Handel. Die Halterung wird zb mit einem massiven Stahldraht am Lenker befestigt, der gleichzeitig für eine gepolsterte Aufhängung der Tasche sorgt. So können selbst massive Stösse dem Akku nichts anhaben. Zudem sind die Taschen wasserdicht.

Die kleinste uns bekannte Tasche, in die die LiMn-Akkus in Ziegelform passen, sind zb "Ortlieb Ultimate-6 Compact", in der Grösse einer Phototasche für eine Spiegelreflex-Kamera. Nimmt man die etwas grössere "Classic"-Version, kann man auch das Ladegerät (und evt sogar den Controller, wenn man für Belüftung sorgt) dort verstauen. (Leider unterstützt Ortlieb den Klickfix Standard nicht - aus diesem Blickwinkel sind also andere Produkte zu bevorzugen).

Die folgenden Fotos zeigen beispielhaft einen Akku in einer kleinen Lenkertasche, die auf einem Faltrad an einem oft üblichen 25mm-Halterstummel unterhalb des Lenkers montiert wird. Dieser Stummel ist oft für die Montage von Packtaschen vorgesehen, da der Lenker selbst ja umgeklappt werden kann - bei einem normalen Fahrrad wird direkt am Lenker montiert.

Die Kontaktschiene, die den Akku mit dem Anschlusskabel verbindet, kann dabei etwas umgebaut werden, damit sie nicht so dick aufträgt, und der Akku gut in die kleine Tasche passt: Die Akku-nahe Schalenhälfte kann mit einem Blech oder Sperrholz abgeschlossen werden (einfach mit den 4 ohnehin vorgesehenen Schrauben festschrauben), das spart ca 15mm Dicke. Die Versperrbarkeit geht dadurch allerdings verloren. Dies wiederum wird tw dadurch wettgemacht, dass man den Akku in der Tasche gar nicht sieht, bzw die Tasche und/oder die Halterung selbst versperrbar ist.

Wird der Akku hinter dem Sattel platziert, kann eine grössere Tasche gewählt werden, die mit einer Klickfix-Extension vom Sattelrohr distanziert wird. Die Tasche ist so gross, dass auch der Controller drinnen Platz findet - dadurch kann auch der ganze Kabelverhau nach innen wandern.


 

Bei einer Trinkflaschen-Lösung wird zuerst am Rahmen eine Montageschiene befestigt. Beim Zweifel an der Haltbarkeit der Montage der Schiene an den Einpressgewinden im Rahmen (die eigentlich für echte Trinkflaschen gedacht sind), können alternativ auch Rohrklemmen verwendet werden. Dazu muss uU die Montageschiene etwas manuell nachbearbeitet werden (Einfeilen von Kerben).

Bei einer Gepäckträger-Lösung wird der Akku zusammen mit einer Akku-Halterung geliefert, die ihrerseits in einen mitgelieferten Spezial-Gepäckträger eingebaut wird. Diese Halterung beinhaltet auch ein Montagefach für den Controller, in dem auch der Kabelverbau Platz findet. In diese wird dann der Akku versperrbar eingeschoben. Der Gepäckträger ist ca 80mm höher, was bei der Montage von Kindersitzen etc zu berücksichtigen ist.

Wird es dem Controller im Montagefach oder in der Packtasche zu heiss, kann er entweder an der Unterseite der Tasche aussen montiert werden, oder, besonders elegant: Der Controller wird durch Kühlkörper erweitert, und nur diese schauen durch ein Loch im Boden oder der Seitenwand nach aussen.